Kakšno vlogo imajo grelne plošče pri toplotnem lepljenju mikrofluidnih čipov?

Mikrofluidni čipi za medicinsko diagnostiko in laboratorijske naprave na čipu vključujejo kanale, ki so manjši od širine človeškega lasu. Izdelani so s taljenjem dveh plošč stekla ali plastike s toploto in pritiskom. Grelna plošča, ki izvaja lepljenje, mora prenesti svojo toploto s kirurško natančnostjo, sicer se lahko kanali zrušijo ali deformirajo. V hitro rastočem sektorju mikrofluidike kakovost vezanega tesnila pomembno vpliva na funkcionalnost naprave, z aplikacijami, ki segajo od-diagnostike-nege do organov-na--platformah čipov. Zaradi puščajočega ali hrupnega kanala je čip brez vrednosti. Tako je mikrofluidni postopek lepljenja čipov z ogrevalno ploščo pomemben korak v proizvodnji. Zahteva odlično enakomernost temperature, hitro odzivnost in čiste površine.

Postopek lepljenja: toplota, pritisk in natančnost
Toplotna vezava mikrofluidnih čipov pogosto vključuje dve plasti substrata - iz stekla ali termoplastičnih polimerov, kot je COC (ciklični olefinski kopolimer) ali PMMA (polimetil metakrilat). Ena plast vsebuje mikrokanale, ki so vgravirani ali vliti v njeno površino, druga plast pa je pokrivna plast. Ta dva lista sta popolnoma poravnana in nameščena med vročimi ploščami laboratorijske stiskalnice ali posebne opreme za lepljenje.

Sklop se dvigne na temperaturo lepljenja s ploščami, ki uporabljajo nadzorovano silo. Pri tej temperaturi polimerne površine postanejo dovolj prožne, da omogočijo medsebojno difuzijo molekul čez vmesnik, da se vzpostavi trajno, hermetično tesnjenje. Pri steklenih drobcih je mehanizem enak, vendar pri povišanih temperaturah (pogosto 500-650C). Površine se povezujejo z medsebojno difuzijo atomov pod pritiskom.

Ključni izziv je, da morajo biti mikrokanali, včasih široki in globoki 10–100 mikrometrov, popolnoma odprti in nepopačeni. Če je temperatura prenizka, bo vezava šibka ali delna in prišlo bo do puščanja. Če je temperatura previsoka ali ne-enakomerna, polimer teče v kanale in jih delno ali popolnoma blokira. Ena stopinja, en mikron je razlika med brezhibnim čipom in obtežilnikom za papir.

Mikrofluidna lepilna plošča: ključne značilnosti
Odlična enakomernost temperature
Ker je območje lepljenja običajno skromno (npr. . 50 mm × 50 mm do 200 mm × 200 mm), je potrebna stalna temperatura na celotni površini plošče. Standardna specifikacija za mikrofluidno lepljenje določa konsistenco ±0,5 stopinje na uporabni površini plošče. Vroče točke na območju povzročijo prezgodnje mehčanje in kolaps kanala, medtem ko hladna mesta povzročijo nevezana območja. Da bi dosegli to raven enakomernosti, je potrebna natančna postavitev grelnika, več-consko upravljanje ali veliko aluminijasto ohišje plošče z visoko toplotno prevodnostjo, da se izravnajo morebitni preostali temperaturni gradienti.

Opomba glede zasnove: Termočlen je treba implantirati zelo blizu zgornje površine plošče (znotraj 1-2 mm), da se zagotovi bolj odziven in natančen nadzor temperature namesto termočlena, zakopanega globoko v ploščo. Zaznavanje na površini zmanjša zamik med odčitkom krmilnika in dejansko temperaturo na veznem vmesniku, kar je še posebej pomembno za tanke polimerne naprave z nizko toplotno maso.

Majhna toplotna masa, hiter toplotni odziv
Pri serijski obdelavi mikrofluidno lepljenje povezuje več sklopov čipov enega za drugim. Krajši cikli ogrevanja in hlajenja povečajo pretok. Zato so plošče za to uporabo običajno izdelane iz aluminija, ki ima visoko toplotno prevodnost (≈205 W/m·K) in sorazmerno nizko gostoto, namesto iz jekla. Toplotna difuzivnost aluminija omogoča, da se plošča hitro odzove na spremembe, ki jih naredi PID krmilnik. Vendar je treba paziti, da preprečimo žganje aluminija blizu njegovega tališča; za lepljenje stekla nad 500 stopinj se uporabljajo različni materiali, kot so nerjavno jeklo ali keramične plošče.

Gladka, polirana in brez nečistoč.
Površina plošče, ki je v stiku z mikrofluidnim čipom, mora biti polirana do zrcalnega sijaja (pogosto Ra 0,4 μm ali boljši). Kakršna koli praska, delci ali površinske napake se prenesejo na zmehčan polimer, kar povzroči uhajajoče kanale ali optične napake. Plošča mora biti tudi kemično čista in ne-onesnažujoča. Za polimerno lepljenje lahko kakršno koli sredstvo za sproščanje ali površinski ostanek moti proces molekularne vezi. Številne lepilne plošče so bodisi rahlo prevlečene s PTFE ali kakšnim drugim materialom, ki se ne-oprijema, ali pa so zgolj poliran goli aluminij, ki se skrbno očisti med cikli.

Ko se uporablja za zaznavanje fluorescence ali slikanje, plošča ne sme povzročiti hrapavosti površine ali zamegljenosti zunanjosti čipa. Polirana plošča z zaščitnim vmesnim slojem, kot je čista ločilna folija, je običajna.

Temperaturna območja običajnih mikrofluidnih materialov
Temperatura in tlak vezave, ki sta potrebna za material čipa, sta različna. Grelna plošča mora biti stabilna v želenem temperaturnem območju.

Opombe o temperaturi materiala pri tlaku lepljenja
COC (ciklični olefinski kopolimer) 110-130 stopinj 2-5 kN Nizka absorpcija vode Biokompatibilen PMMA (polimetil metakrilat) 100-115 stopinj 3-6 kN Nižje tališče kot COC, nagnjen k lezenju
Polikarbonat (PC) 120-150 stopinj 4-8 kN Izboljšana trdota, nizka kemična odpornost
Steklo (borosilikat) 550-650 stopinj 1-3 kN Počasne stopnje naraščanja, da se prepreči pokanje zaradi napetosti
Tipične temperature lepljenja za običajne polimere, kot sta COC in PMMA, so v območju 100–150 stopinj. Pri teh temperaturah dobro delujejo aluminijaste plošče z vgrajenimi grelci kartuš ali grelci iz silikonske gume. Za steklene čipe je potrebna uporaba NiCr ali SiC vročih plošč z natančnimi hladilnimi kanali.

PID krmiljenje in procesni podatki
Pogosto se ogrevana plošča za mikrofluidno lepljenje uporablja s PID (proporcionalno-integralno-izpeljano) regulatorjem temperature. Plošča doseže nastavljeno točko brez prekoračitve in ostane pri tej temperaturi do zelo ozkih toleranc (pogosto ±0,1 stopinje ali več) zaradi krmiljenja PID. Krmilnik bere iz termočlena (tipa J, K ali T), vstavljenega v ohišje plošče, po možnosti blizu površine, kot je navedeno zgoraj.

Poleg temperature zahteva postopek lepljenja skrbno upravljanje z:

Hitrost dviga temperature: običajno 5-20 o C/min. Prehitro povzroči toplotno obremenitev in zvijanje.

Čas namakanja: 5–30 minut pri temperaturi lepljenja, da se omogoči interdifuzija polimerov ali aktivacija steklene površine.

Hitrost hlajenja: nadzorovano hlajenje (npr.. 5–10 stopinj na minuto) preprečuje preostalo napetost v vezanem čipu.

UV{0}}lepljenje: Različica
Nekateri mikrofluidni čipi so povezani z UV-podprtimi metodami, zlasti za materiale, ki jih ni enostavno pritrditi s toplotnimi sredstvi (npr. PDMS na steklo) ali kjer so za ohranitev vdelanih bioloških molekul potrebne zelo nizke temperature. Pri takšnih metodah je lahko grelna plošča prosojna za ultravijolično svetlobo ali pa vsebuje osrednjo odprtino, skozi katero se lahko ultravijolično sevanje usmeri na vezni kontakt. Plošča še vedno uporablja toploto (običajno samo 40-60 °C) in pritisk, medtem ko UV sproži zamreženje vmesne lepljive plasti. Ta edinstvena aplikacija je na voljo z grelnimi ploščami s kvarčnimi okni ali izvrtanimi odprtinami.

Vpliv slabega delovanja plošče na kakovost
Neustrezna zmogljivost plošče bo povzročila slabo lepljenje, kar se bo pokazalo na več načinov:

Zrušitev kanala – polimer teče v kanal zaradi previsoke temperature ali tlaka, pri čemer se prerez-niža ali popolnoma zatesni. Odkrito z vizualnim pregledom ali meritvijo pretoka.

Nepopolna vezava. Hladne točke puščajo nepovezana območja, kar povzroča puščanje pri servisiranju. Preskusi penetracije barvila ali padca tlaka po predpisih.

Zvitost: Čip se zvije iz ravnine pod ne-enakomerno temperaturo ali hlajenjem in zato ni primeren za integracijo s tekočimi povezavami ali optičnimi sistemi.

Površinska kontaminacija: Površino čipa poškodujejo grobe ali umazane plošče, ki razpršijo svetlobo in poslabšajo optično zaznavanje.

Vsem tem napakam se izognemo z dobro zasnovo, dobro vzdrževanim sistemom ogrevalne plošče.

Zaključek
Grelna plošča za mikrofluidno vezavo je zelo občutljiv instrument, kjer termični nadzor neposredno določa kakovost izdelka. Naredi več kot le zagotavlja toploto. Zagotavljati mora odlično enakomernost temperature (običajno ±0,5 stopinj), hiter in predvidljiv toplotni odziv, polirano površino brez kontaminacije-in stabilno delovanje pri določenih temperaturah lepljenja stekla ali polimerov, kot sta COC in PMMA. Drobna konstrukcijska značilnost, ki ima velik vpliv na nadzor in ponovljivost, so termoelementi, nameščeni blizu površine plošče. Potreba po natančnosti pri izdelavi mikrofluidnih naprav se povečuje, saj se te naprave še naprej krčijo in se povečuje njihova uporaba v personalizirani medicini ter visoko{6}}zmogljivem pregledu. Čeprav je v splošni literaturi o laboratoriju-na--čipih pogosto zanemarjena, je grelna plošča eden bistvenih dejavnikov za zanesljivo in-zmogljivo izdelavo mikrofluidnih čipov.